DE102021100321A1

DE102021100321A1 - SPR sensor unit and method for determining the refractive index of a sample medium and measuring device for detecting the density of a measuring medium

Info

Publication number: DE102021100321A1
Application number: DE102021100321.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Dieter Prien
Original assignee: Leibniz Inst Fuer Ostseeforschung; Leibniz Institut Fuer Ostseeforschung
Current assignee: Leibniz Inst Fuer Ostseeforschung; Leibniz Institut Fuer Ostseeforschung
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: DE102021100321B4

Abstract

Beschrieben wird eine SPR-Sensoreinheit, ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Durchführung von Messungen unter Ausnutzung von Oberflächenplasmonen mit einer Strahlungseinheit (2) zur Emission einer Strahlung, mit wenigstens einem Optikelement (6), durch das die von der Strahlungseinheit (2) emittierte Strahlung unter einem Einstrahlwinkel auf eine Grenzfläche (10) gelenkt wird, und mit einer Detektoreinheit (11), die eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche (10) reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen und an einer Schnittstelle (16) zur Anbindung einer Auswerteeinheit (17) bereitzustellen. An der Grenzfläche (10) berühren sich zumindest in einem Messbereich das Optikelement (6) und eine Metallschicht (7) und das Optikelement (6) weist zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex (n1) und die Metallschicht (7) einen zweiten Brechungsindex (ng) auf und die Metallschicht (7) grenzt auf der dem Optikelement (6) abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Probenmediums (9) vorgesehenen Probenraum (8).Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlungseinheit (1) eingerichtet ist, um zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich zu emittieren und dass die Detektoreinheit (11) derart angeordnet und ausgeführt ist, dass das Detektorsignal eine Information über einen Ausfallwinkel (ΘSPR) enthält, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche (10) abgestrahlt wird, dessen Strahlungsintensität ein lokales Minimum im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist.Described is an SPR sensor unit, a method and a measuring device for carrying out measurements using surface plasmons with a radiation unit (2) for emitting radiation, with at least one optical element (6) through which the radiation emitted by the radiation unit (2). is directed onto an interface (10) at an angle of incidence, and having a detector unit (11) which is set up to receive the radiation reflected from the interface (10) and to generate a detector signal as a function of an intensity of the reflected radiation and to provide an interface (16) for connecting an evaluation unit (17). At the interface (10), the optical element (6) and a metal layer (7) touch at least in a measurement area, and the optical element (6) has a first medium with a first refractive index (n1) and the metal layer (7) at least in the measurement area second refractive index (ng) and the metal layer (7) directly or indirectly borders on the side facing away from the optical element (6) a sample space (8) provided for receiving a sample medium (9). The technical solution described is characterized in that the radiation unit (1) is set up to emit radiation of different wavelengths or in a different wavelength range at different points in time or during different periods of time, and that the detector unit (11) is arranged and designed in such a way that the detector signal contains information about an angle of reflection (ΘSPR) contains, under which a part of the reflected radiation from the interface (10) radiated w ird whose radiation intensity shows a local minimum compared to the remaining part of the reflected radiation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit, ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Durchführung von Messungen unter Ausnutzung von Oberflächenplasmonen. Da für die Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie oftmals die englische Bezeichnung Surface Plasmon Resonance Spectroscopy verwendet wird, wird im Folgenden der Ausdruck SPR-Sensoreinheit verwendet. Die beschriebene SPR-Sensoreinheit, das Verfahren sowie die Messeinrichtung verfügen über eine Strahlungseinheit zur Emission einer Strahlung und über wenigstens ein Optikelement, durch das die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung unter wenigstens einem Einfallwinkel auf eine Grenzfläche lenkbar ist. An der Grenzfläche berühren sich zumindest in einem Messbereich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex und die Metallschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist. Auf der dem Optikelement abgewandten Seite der Metallschicht befindet sich ein zur Aufnahme eines Probenmediums geeigneter Probenraum, sodass das zu untersuchte Probenmedium mittelbar oder unmittelbar an der Grenzfläche anliegt. Darüber hinaus ist ein Detektor vorgesehen, der eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit der Intensität und des Winkels der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen, das an einer Schnittstelle, die für die Anbindung einer Auswerteeinheit geeignet ist, bereitgestellt wird.The invention relates to a sensor unit, a method and a measuring device for carrying out measurements using surface plasmons. Since the English term surface plasmon resonance spectroscopy is often used for surface plasmon resonance spectroscopy, the term SPR sensor unit is used below. The SPR sensor unit described, the method and the measuring device have a radiation unit for emitting radiation and at least one optical element, by which the radiation emitted by the radiation unit can be directed onto an interface at at least one angle of incidence. At the interface, the optical element and a metal layer touch at least in a measurement area, the optical element having a first medium with a first refractive index and the metal layer having a second refractive index at least in the measurement area. On the side of the metal layer facing away from the optical element there is a sample space suitable for receiving a sample medium, so that the sample medium to be examined is directly or indirectly in contact with the interface. In addition, a detector is provided, which is set up to receive the radiation reflected from the interface and to generate a detector signal as a function of the intensity and the angle of the reflected radiation, which is transmitted to an interface suitable for connecting an evaluation unit. provided.

Bei einem Oberflächenplasmon handelt es sich um Oberflächenwellen bzw. evaneszente Wellen, bei denen die longitudinalen elektrischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Dieser physikalische Effekt wird bei der Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie (Surface Plasmon Resonance Spectroscopy) genutzt, um den Brechungsindex eines Probenmediums zu bestimmen, indem Licht unter einem Einfallwinkel auf eine zwischen einem ersten Medium und einer dünnen Metallschicht angeordnete Grenzfläche gelenkt, an der Grenzfläche reflektierte Strahlung von einem Detektor empfangen und unter Zugrundelegung eines lokalen Minimums der vom Detektor empfangenen reflektierten Strahlung, insbesondere eines Ausfallswinkels des Teils der reflektierten Strahlung, dessen Strahlungsintensität minimal ist, der Brechungsindex berechnet wird. Hierbei lässt sich bei konstanten Brechungsindices des ersten Mediums und der Metallschicht unter Zugrundelegung des Ausfallwinkels, bei dem das Spektrum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum aufweist, der Brechungsindex des Probenmediums, das auf der der Strahlenquelle gegenüberliegenden Seite der Grenzfläche angeordnet ist, berechnen.A surface plasmon is a surface wave or evanescent wave in which the longitudinal electrical oscillations are excited parallel to the surface of a metal. This physical effect is used in surface plasmon resonance spectroscopy (Surface Plasmon Resonance Spectroscopy) to determine the refractive index of a sample medium by directing light at an angle of incidence onto an interface arranged between a first medium and a thin metal layer, radiation reflected at the interface from a detector received and on the basis of a local minimum of the reflected radiation received by the detector, in particular an angle of emergence of the part of the reflected radiation whose radiation intensity is minimal, the refractive index is calculated. With constant refractive indices of the first medium and the metal layer, the refractive index of the sample medium, which is arranged on the side of the interface opposite the radiation source, can be calculated on the basis of the angle of emergence at which the spectrum of the radiation intensity of the reflected radiation has a local minimum.

In diesem Zusammmenhang sind SPR-Sensoreinheiten bekannt, die das Phänomen der Oberflächenplasmonresonanz messtechnisch nutzen und mit denen Stoffe bereits bei sehr geringer Konzentration detektiert werden können. Derartige Sensoren werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit beispielsweise zum Nachweis von Gasen, die nur in geringer Konzentration im Probenmedium vorhanden sind und auch in anderen technischen Bereichen, etwa bei der Wasseranalyse oder zur Bestimmung von Biomolekülen im Bereich der Labordiagnostik eingesetzt. Insbesondere auf diesem technischen Gebiet ist es bekannt, die Metallschicht mit spezifischen Messmolekülen zu versehen, an die sich bestimmte im Probenmedium befindliche Zielmoleküle binden. Dies führt zu einer Dichteänderung und somit einer Änderung des Brechungsindex in dem an die Metallschicht angrenzenden Bereich, die aufgrund einer Verschiebung des lokalen Minimums des Spektrums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung detektierbar ist.In this context, SPR sensor units are known which use the phenomenon of surface plasmon resonance for measurement purposes and with which substances can be detected even at very low concentrations. Due to their high sensitivity, such sensors are used, for example, to detect gases that are only present in low concentrations in the sample medium and also in other technical areas, for example in water analysis or to determine biomolecules in laboratory diagnostics. In this technical field in particular, it is known to provide the metal layer with specific measurement molecules to which specific target molecules in the sample medium bind. This leads to a change in density and thus a change in the refractive index in the area adjoining the metal layer, which can be detected due to a shift in the local minimum of the spectrum of the radiation intensity of the reflected radiation.

Eine gattungsgemäße Messeinrichtung ist aus der EP 0 257 955 A2 bekannt. Von der Strahlenquelle wird polychromatisches Licht über eine Vielfachprismenstruktur in eine transparente Platte eingekoppelt und dort mit einem Einfallswinkel, welcher größer als der kritische Winkel ist, zur Totalreflexion gebracht. Bei geeigneter Einstellung bildet sich an der Grenzfläche ein Oberflächenplasmon aus, das ein Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung verursacht, die detektiert wird. Auf diese Weise wird die Wellenlänge bestimmt, bei der die Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung ein Minimum annimmt. Bei einer Veränderung der optischen Eigenschaften des Probenmediums an der Grenzfläche kommt es zu einer Verschiebung des Reflexionsminimums, aus der wiederum Eigenschaften des Probemediums ableitbar sind.A generic measuring device is from EP 0 257 955 A2 known. Polychromatic light from the radiation source is coupled into a transparent plate via a multiple prism structure and is brought to total reflection there with an angle of incidence which is greater than the critical angle. With a suitable setting, a surface plasmon forms at the interface, which causes a minimum of the radiation intensity of the reflected radiation that is detected. In this way, the wavelength is determined at which the radiation intensity of the reflected radiation assumes a minimum. A change in the optical properties of the sample medium at the interface results in a shift in the reflection minimum, from which properties of the sample medium can in turn be derived.

Üblicherweise kann das von einer SPR-Sensoreinheit aufgenommene Spektrum der Strahlungsintensität nicht unmittelbar zur Auswertung herangezogen werden. Vielmehr muss eine Normierung mit Hilfe von Luft als Probenmedium erfolgen, da auch die mittels Strahlenquelle erzeugte und mit wenigstens einem Optikelement umgeformte oder umgelenkte Strahlung Intensitätsminima aufweist. Durch die Normierung des gemessenen Spektrums einer Strahlungsintensität mit einer Referenzkurve, die auf einer Messung mit Luft beruht, sind die lokalen Minima, die durch ein Oberflächenplasmon bei Vermessung des Probenmediums verursacht werden, deutlich stärker ausgeprägt und die Bestimmung der Lage des Minimums daher einfacher. Sofern die Metallschicht bei der Messung allerdings nicht in direktem Kontakt mit der Luft steht, beispielsweise weil diese mit einer Beschichtung oder einer Schicht, in die Messmoleküle eingebracht sind, versehen ist, kann eine Normierung der Messsignale durch eine Referenzmessung mit Luft nicht erfolgen. In diesem Fall werden unterschiedliche technische Lösungen umgesetzt, um eine Referenzkurve für die Normierung der Messignale zu erhalten. Bekannte Lösungen sehen entweder mechanische Stellelemente vor, die zeitweise eine Polarisierung der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung um 90° bewirken, sodass sich kein Oberflächenplasmon ausbildet, oder es wird mit Hilfe mathematischer Näherungsberechnungen eine Referenzkurve ermittelt. Problematisch an den Lösungen ist, dass entweder zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich ist oder lediglich eine Referenzkurve mit eingeschränkter Genauigkeit bereitgestellt wird.Usually, the radiation intensity spectrum recorded by an SPR sensor unit cannot be used directly for the evaluation. Rather, a normalization must be carried out using air as the sample medium, since the radiation generated by means of a radiation source and shaped or deflected with at least one optical element also has intensity minima. By normalizing the measured spectrum of a radiation intensity with a reference curve based on a measurement with air, the local minima, which are caused by a surface plasmon when measuring the sample medium, are much more pronounced and the determination of the position of the minimum is therefore easier. However, if the metal layer is not in direct contact with the air during the measurement, for example because it is provided with a coating or a layer into which measurement molecules have been introduced, it is not possible to standardize the measurement signals using a reference measurement with air. In this case, different technical solutions are implemented in order to obtain a reference curve for normalizing the measurement signals. Known solutions provide either mechanical adjustment elements that temporarily cause the radiation emitted by the radiation source to be polarized by 90° so that no surface plasmon is formed, or a reference curve is determined with the aid of mathematical approximation calculations. The problem with the solutions is that either additional equipment is required or only a reference curve with limited accuracy is provided.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine SPR-Sensoreinheit sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums unter Ausnutzung eines sich ausbildenden Oberflächenplasmons derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige und präzise Messung auch dann möglich ist, wenn eine Normierung der erzeugten Messsignale auf der Grundlage einer Referenzmessung mit Luft als Probenmedium nicht möglich ist, beispielsweise weil die Metallschicht auf der Seite eines Probenraumes nicht direkt von dem Probenmedium kontaktiert wird. Die anzugebende technische Lösung sollte auf vergleichsweise einfache Weise die Bereitstellung einer Referenzmessung ermöglichen, wobei insbesondere zusätzliche Verstellelemente, die die Strahllenkung und/oder -formung beeinflussen nicht erforderlich sein sollen. Im Weiteren soll die Auflösung der Position der auszuwertenden Strahlungsintensitätsminima der reflektierten Strahlung verbessert, die Bestimmung der Lage der Minima präziser und auf diese Weise eine genauere Bestimmung des Brechungsindex eines Messmediums ermöglicht werden. Ferner sollte es aufgrund der anzugebenden technischen Lösung möglich sein, den Messbereich zu vergrößern.Based on the solutions known from the prior art and the problems described above, the invention is based on the object of developing an SPR sensor unit and a method for determining the refractive index of a sample medium using a surface plasmon that forms in such a way that a reliable and precise Measurement is also possible when normalization of the measurement signals generated on the basis of a reference measurement with air as the sample medium is not possible, for example because the metal layer on the side of a sample chamber is not directly contacted by the sample medium. The technical solution to be specified should make it possible to provide a reference measurement in a comparatively simple manner, with additional adjustment elements influencing the beam steering and/or shaping in particular not being required. Furthermore, the resolution of the position of the radiation intensity minima of the reflected radiation to be evaluated is to be improved, the determination of the position of the minima is to be made more precise and in this way a more precise determination of the refractive index of a measurement medium is to be made possible. Furthermore, due to the technical solution to be specified, it should be possible to increase the measuring range.

Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird mit einer SPR-Sensoreinheit gemäß Anspruch 1, einem Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums nach Anspruch 9 und einer Messeinrichtung, wie sie in Anspruch 14 angegeben ist, gelöst. Im Anspruch 15 ist darüber hinaus eine erfindungsgemäße Verwendung einer SPR-Sensoreinheit angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.The object described above is achieved with an SPR sensor unit according to claim 1, a method for determining the refractive index of a sample medium according to claim 9 and a measuring device as specified in claim 14. Claim 15 also specifies a use according to the invention of an SPR sensor unit. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims and are explained in more detail in the following description with partial reference to figures.

Die Erfindung betrifft eine SPR-Sensoreinheit mit einer Strahlungseinheit zur Emission einer Strahlung, mit wenigstens einem Optikelement, durch das die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung unter wenigstens einem Einfallwinkel auf eine Grenzfläche lenkbar ist, und mit einem Detektor, der eingerichtet ist, um die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung zu empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität und eines Winkels der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal zu erzeugen und an einer Schnittstelle, die zur Anbindung einer Auswerteeinheit geeignet ist, bereitzustellen. Hierbei berühren sich an der Grenzfläche zumindest in einem Messbereich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest im Messbereich ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex und die Metallschicht einen zweiten Brechungsindex aufweist und wobei die Metallschicht auf einer dem Optikelement abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur wenigstens zeitweisen Aufnahme eines Probenmediums vorgesehener Probenraum angrenzt. Erfindungsgemäß zeichnet sich die SPR-Sensoreinheit dadurch aus, dass die Strahlungseinheit eingerichtet ist, um zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeitspannen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich zu emittieren und dass die Detektoreinheit derart angeordnet und ausgeführt ist, dass das Detektorsignal eine Information über einen Ausfallwinkel enthält, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche abgestrahlt wird, dessen Strahlungsintensität ein lokales Minimum im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist. Auf der Grundlage des Detektorsignals wird, bevorzugt durch eine drahtlos oder drahtgebunden an die Schnittstelle angebundene Auswerteeinheit eine Messwertkurve bzw. ein Spektrum erzeugt, die bzw. das die Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit eines Ortes auf der Detektoroberfläche abbildet, und die bzw. das für zumindest einen Ort auf der Detektoroberfläche ein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung zeigt. Es wird somit ein Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung detektiert, wobei die Strahlungsintensität in Abhängigkeit des Auftreffpunktes auf der Detektoroberfläche und damit des Winkels, unter dem Strahlung von der Grenzfläche reflektiert wird, variiert. In diesem Zusammenhang ist der Detektor mit der Detektoroberfläche derart ausgeführt, dass in Abhängigkeit des Ortes, an dem reflektierte Strahlung auf die Detektoroberfläche auftrifft, ein Detektorsignal erzeugbar ist, das eine Information über den Ausfallwinkel, unter dem die auf diesen Ort auftreffende reflektierte Strahlung aus Richtung der Grenzfläche, also der Fläche, an der sich das Optikelement und die Metallschicht berühren, abgestrahlt wird. Sofern in dieser Beschreibung der Begriff Einfall- oder Ausfallwinkel verwendet wird, so wird unter einem Einfallwinkel der zwischen der Strahlrichtung der auf die Grenzfläche einstrahlenden Strahlung und einem Lot auf die Grenzfläche im Auftreffpunkt der einstrahlenden Strahlung eingeschlossener Winkel und unter einem Ausfallwinkel der zwischen der Strahlrichtung der von der Grenzfläche reflektierten Strahlung und einem Lot auf die Grenzfläche im Auftreffpunkt der einstrahlenden Strahlung eingeschlossene Winkel verstanden. Mithilfe der erfindungsgemäßen SPR-Sensoreinheit ist es somit möglich, durch eine zeitliche Veränderung der Wellenlänge der auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkten Strahlung eine zeitlich aufgelöste wellenlängenselektive Detektion von Winkelspektren der reflektierten und durch ein Oberflächenplasmon beeinflussten Strahlungsintensität vorzunehmen. Hierbei wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Zeiträumen jeweils für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge der Ausfallwinkel der reflektierten Strahlung ermittelt, unter dem die Intensität der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum annimmt. Mittels der lichtsensitiven Oberfläche des Detektors wird somit ein Ort ermittelt, an dem die von der Grenzfläche reflektierten Strahlung vergleichsweise dunkel ist, wobei anhand der Lage dieses Ortes der für diesen Teil der Strahlung mit minimaler Strahlungsintensität spezifische Ausfallwinkel ermittelt wird. Dieser spezifische Ausfallwinkel wird als Θ_SPR bezeichnet. Auf der Grundlage dieses spezifischen Winkels lässt sich nunmehr mithilfe der Formel $θ_{S P R} = \frac{1}{n_{1}} \cdot s i n^{- 1} \cdot (\sqrt{\frac{n_{2}^{2} \cdot n_{g}^{2}}{n_{2}^{2} + n_{g}^{2}}})$

mit
n₁: Brechungsindex des ersten Mediums sowie
n_g: Brechungsindex der Metallschicht
der Brechungsindex n₂ des Probenmediums bestimmen. Mit der erfindungsgemäß ausgeführten Sensoreinheit kann über die Detektion eines veränderten Orts, an dem die Intensität der reflektierten Strahlung auf der Detektoroberfläche minimal ist, eine Veränderung des Brechungsindex, die auf einer Veränderung der Dispersionseigenschaften des Probenmediums beruht, und somit eine Änderung der Dichte des Probenmedium bestimmt werden.The invention relates to an SPR sensor unit with a radiation unit for emitting radiation, with at least one optical element by which the radiation emitted by the radiation unit can be directed onto an interface at at least one angle of incidence, and with a detector that is set up to detect the to receive radiation reflected from the boundary surface and to generate a detector signal as a function of an intensity and an angle of the reflected radiation and to make it available at an interface which is suitable for connecting an evaluation unit. In this case, the optical element and a metal layer touch at the interface at least in a measuring area, the optical element having a first medium with a first refractive index and the metal layer having a second refractive index at least in the measuring area, and the metal layer directly or indirectly adjoining on a side facing away from the optical element adjoins a sample space provided for at least temporarily accommodating a sample medium. According to the invention, the SPR sensor unit is characterized in that the radiation unit is set up to emit radiation of different wavelengths or in a different wavelength range at different times or during different periods of time, and that the detector unit is arranged and designed in such a way that the detector signal provides information about contains an angle of emergence at which part of the reflected radiation is emitted from the interface, the radiation intensity of which has a local minimum compared to the remaining part of the reflected radiation. On the basis of the detector signal, a measured value curve or spectrum is generated, preferably by an evaluation unit connected wirelessly or by wire to the interface, which depicts the radiation intensity of the reflected radiation as a function of a location on the detector surface, and which is used for at least one location on the detector surface shows a local minimum of the radiation intensity of the reflected radiation. A minimum of the radiation intensity of the reflected radiation is thus detected, with the radiation intensity varying as a function of the point of impact on the detector surface and thus of the angle at which the radiation is reflected from the interface. In this context, the detector with the detector surface is designed in such a way that, depending on the location at which reflected radiation impinges on the detector surface, a detector signal can be generated that provides information about the angle of emergence at which the reflected radiation impinging on this location comes from the direction the boundary surface, i.e. the surface where the optical element and the metal layer touch, is radiated. If the term angle of incidence or angle of reflection is used in this description, then under an angle of incidence between the beam direction of the radiation incident on the interface and a plumb line on the interface at the point of impact incident radiation included angle and under a reflection angle of the included angle between the beam direction of the radiation reflected from the interface and a perpendicular to the interface at the point of impingement of the incident radiation. With the help of the SPR sensor unit according to the invention, it is thus possible to carry out a time-resolved wavelength-selective detection of angle spectra of the reflected radiation intensity influenced by a surface plasmon by changing the wavelength of the radiation directed onto the measurement area of the interface over time. In this case, the angle of emergence of the reflected radiation is determined at different points in time or in different time periods for radiation of different wavelengths, below which the intensity of the reflected radiation assumes a local minimum. Using the light-sensitive surface of the detector, a location is thus determined at which the radiation reflected by the boundary surface is comparatively dark, the position of this location being used to determine the specific angle of emergence for this part of the radiation with minimal radiation intensity. This specific angle of reflection is referred to as Θ _SPR . Based on this specific angle, using the formula

θ_{S P R} = \frac{1}{n_{1}} \cdot s i n^{- 1} \cdot (\sqrt{\frac{n_{2}^{2} \cdot n_{G}^{2}}{n_{2}^{2} + n_{G}^{2}}})

With
n ₁ : refractive index of the first medium and
n _g : refractive index of the metal layer
determine the refractive index n ₂ of the sample medium. With the sensor unit designed according to the invention, a change in the refractive index, which is based on a change in the dispersion properties of the sample medium, and thus a change in the density of the sample medium can be determined by detecting a changed location at which the intensity of the reflected radiation on the detector surface is minimal will.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung verfügt die Strahlungseinheit über wenigstens zwei Strahlungsquellen, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich emittieren und die zumindest zeitweise getrennt voneinander aktiviert werden. Die wenigstens zwei Strahlungsquellen sind vorzugsweise derart ansteuerbar, dass diese nacheinander aktiviert werden können, um so Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen durchzuführen. Bei der Verwendung von Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge liegen die lokalen Minima der Strahlungsintensität der an der Grenzfläche reflektierten Strahlung, die durch ein Oberflächenplasmon verursacht werden, an unterschiedlichen Stellen auf dem Detektor. Ebenso kann zumindest eine Strahlungsquelle derart ausgewählt werden, dass sich in dem Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung kein Oberflächenplasmon ausbildet und somit vom Detektor kein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung erfasst wird.
Im Weiteren ist es denkbar, dass die Strahlungseinheit eine zumindest über einen gewissen Wellenlängenbereich polychromatische Strahlungsquelle sowie zumindest ein Filterelement und/oder einen Monochromator aufweist. Gemäß dieser Ausführungsform werden verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeiträume jeweils Strahlungen mit unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt, indem das Filterelement und/oder der Monochromator bedarfsgerecht in den Strahlengang der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung eingekoppelt oder aus diesem entfernt wird. Hierbei ist eine geeignete Kombination unterschiedlicher Filterelemente denkbar Mithilfe einer Kombination bestehend aus einer zumindest über einen gewissen Wellenlängenbereich polychromatischen Strahlenquelle und einer Mehrzahl zumindest zeitweise in den Strahlengang der emittierten Strahlung einkoppelbaren Filterelemente kann eine Strahlungseinheit bereitgestellt werden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Zeiträumen Strahlungen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, wobei die Wellenlänge oder Wellenlängenbereiche der emittierten Strahlung besonders bedarfsgerecht einstellbar sind.According to a special embodiment of the invention, the radiation unit has at least two radiation sources which emit radiation of different wavelengths or in a different wavelength range and which are activated separately from one another at least at times. The at least two radiation sources can preferably be controlled in such a way that they can be activated one after the other in order to carry out measurements with different wavelengths. When using radiation of different wavelengths, the local minima of the radiation intensity of the radiation reflected at the interface, which are caused by a surface plasmon, are at different points on the detector. Likewise, at least one radiation source can be selected in such a way that no surface plasmon forms in the wavelength range of the emitted radiation and thus no local minimum of the radiation intensity of the reflected radiation is detected by the detector.
Furthermore, it is conceivable that the radiation unit has a radiation source that is polychromatic at least over a certain wavelength range and at least one filter element and/or a monochromator. According to this embodiment, radiation with different wavelengths is generated at different points in time or during different periods of time by the filter element and/or the monochromator being coupled into the beam path of the radiation emitted by the radiation source or removed from it as required. Here, a suitable combination of different filter elements is conceivable. Using a combination consisting of a radiation source that is polychromatic at least over a certain wavelength range and a plurality of filter elements that can be coupled at least temporarily into the beam path of the emitted radiation, a radiation unit can be provided that emits radiation at different times or in different time periods emitted in each case different wavelengths, wherein the wavelength or wavelength ranges of the emitted radiation can be adjusted particularly needs-based.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Verstelleinheit vorgesehen, um einen Abstand zwischen der Strahlungseinheit und der Grenzfläche und/oder um den Einfallwinkel, unter dem die emittierte Strahlung auf die Grenzfläche auftrifft, zu verändern. Durch eine entsprechende Verstelleinheit wird ein variables Einstellen der auf die Grenzfläche auftreffenden Strahlung ermöglicht, sodass das erfindungsgemäße Verfahren besonders flexibel gestaltet werden kann. In diesem Zusammenhang ist es generell denkbar, dass der Messbereich und/oder die Spektren der erfassten Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung aufgrund einer Änderung des Einfallswinkels verändert wird.
Im Weiteren sieht eine besondere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Strahlungseinheit wenigstens eine Linse und/oder einen Polarisationsfilter aufweist. Der Einsatz eines Polarisationsfilters bietet hierbei den Vorteil, dass das Minimum der Strahlungsintensität aufgrund des vorhandenen Kontrast besonders gut detektierbar ist. Der Verzicht auf einen Polarisationsfilter führt dagegen zu einer Verminderung des Kontrasts des Minimums der Strahlungsintensität.According to a further embodiment of the invention, at least one adjustment unit is provided in order to change a distance between the radiation unit and the interface and/or to change the angle of incidence at which the emitted radiation impinges on the interface. A corresponding adjustment unit enables variable adjustment of the radiation impinging on the boundary surface, so that the method according to the invention can be configured in a particularly flexible manner. In this context it is generally conceivable that the measuring range and/or the spectra of the recorded radiation intensity of the reflected radiation is changed due to a change in the angle of incidence.
Furthermore, a special embodiment of the invention provides that the radiation unit has at least one lens and/or a polarization filter. The use of a polarization filter offers the advantage that the minimum of the radiation intensity can be detected particularly well due to the contrast that is present. On the other hand, doing without a polarization filter leads to a reduction in the contrast of the minimum of the radiation intensity.

Ferner sieht eine alternativ oder in Ergänzung vorgesehene Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Optikelement ein Prisma, vorzugsweise ein Glasprisma aufweist. Durch die Verwendung einer Linse und/oder eines Polfilters kann die von der Strahlungseinheit emittierte Strahlung bedarfsgerecht ausgerichtet, geformt und/oder umgelenkt werden. Insbesondere kann mit Hilfe einer Linse eine divergente oder konvergente Strahlung erzeugt werden. Ferner ist es durch die Verwendung eines Polfilters auf bevorzugte Weise möglich, eine Polarisierung der emittierten Strahlung um 90° zu bewirken, sodass sich in der Grenzfläche aufgrund der erfolgten Polarisierung kein Oberflächenplasmon ausbildet. Auf diese Weise ist generell die Aufnahme eines Referenzspektrums durchführbar, da kein Oberflächenplasmon und somit auch kein dadurch hervorgerufenes lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung vorhanden ist. In diesem Fall detektierte Minima der Strahlungsintensität sind allein durch den Aufbau und die Eigenschaften der Strahlungseinheit sowie der verwendeten optischen Bauteile begründet und werden bevorzugt bei der Ermittlung des Brechungsindex eines Probenmediums mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt.Furthermore, an alternative or supplementary development of the invention provides that the optical element has a prism, preferably a glass prism. By using a lens and/or a polarizing filter, the radiation emitted by the radiation unit can be aligned, shaped and/or deflected as required. In particular, a divergent or convergent radiation can be generated with the aid of a lens. Furthermore, by using a polarization filter, it is possible in a preferred manner to cause the emitted radiation to be polarized by 90°, so that no surface plasmon forms in the interface due to the polarization that has taken place. In this way, a reference spectrum can generally be recorded, since there is no surface plasmon and therefore no local minimum of the radiation intensity of the reflected radiation caused by this. In this case, detected minima of the radiation intensity are due solely to the structure and properties of the radiation unit and the optical components used and are preferably taken into account when determining the refractive index of a sample medium using the method according to the invention.

Als Detektor wird bevorzugt eine Zeilenkamera verwendet, mit der an der Grenzfläche reflektierte Strahlung empfangen und ein Detektorsignal, das zumindest eine Information in Bezug auf den Ausfallwinkel, unter dem wenigstens ein Teil der reflektierten Strahlung ein Minimum der Strahlungsintensität im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung aufweist, erzeugt. Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, dass der Detektor einen CCD-Sensor, ein Sensorarray, eine Fotodiode und/oder eine sonstige Kameraeinheit aufweist.A line camera is preferably used as a detector, with which radiation reflected at the interface is received and a detector signal containing at least one piece of information relating to the angle of emergence, under which at least part of the reflected radiation has a minimum of the radiation intensity compared to the remaining part of the reflected radiation has, generated. Alternatively or additionally, it is conceivable that the detector has a CCD sensor, a sensor array, a photodiode and/or some other camera unit.

In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung verfügt die Metallschicht zumindest über eine Gold-, Platin- und/oder Palladiumschicht mit einer Schichtdicke zwischen 40 und 60 nm, besonders bevorzugt von zumindest etwa 50 nm.
Weiterhin ist es zumindest für bestimmte Einsatzfälle von Vorteil, wenn die Metallschicht zumindest in einem dem Probenraum zugewandten Bereich über eine Beschichtung verfügt. Eine derartige Beschichtung bietet den Vorteil, dass darin spezielle Strukturen, etwa gezielt ausgewählte Stoffe und/oder Moleküle, angeordnet werden können, an die dann wiederum im Probenmedium vorhandene Zielstoffe und/oder Zielmoleküle binden, sodass spezielle Eigenschaften des Probenmedium bestimmbar sind. Bevorzugt weist die Beschichtung wenigstens bereichsweise Polydimethylsiloxan (PDMS) auf. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist es denkbar, dass in eine derartige Beschichtung geeignete Messmoleküle, insbesondere Biomoleküle oder Antigene, eingebracht werden, sodass Änderungen des Brechungsindex des Probenmediums und damit Dichteänderungen, die auf einer Veränderung des Anteils von Zielmolekülen im Probenmedium beruhen, detektierbar sind, sobald die Zielmoleküle, insbesondere Biomoleküle, Antikörper und/oder sonstige Inhaltsstoffe, an die Messmoleküle bevorzugt reversibel binden.
Eine derart ausgerüstete SPR-Sensoreinheit wird bevorzugt im Bereich der Wasseranalytik, insbesondere bei der Untersuchung von Salz- bzw. Seewasser, und/oder in der Labordiagnostik, etwa zur Untersuchung von Körperflüssigkeiten auf das Vorhandensein von Antikörpern, Antigenen oder sonstiger autologer oder allogener Inhaltsstoffe. Eine ganz spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung der Metallschicht Cryptophan A und/oder für das Messmedium spezifische Strukturen aufweist, an die Zielmoleküle und/oder ein Zielstoff bevorzugt reversibel binden. Auf besonders bevorzugte Weise wird eine erfindungsgemäß ausgebildete SPR-Sensoreinheit mit einer Metallschicht, auf der sich eine Beschichtung, die Cryptophan A enthält, befindet, zur Bestimmung eines Methangehalts eines Probenmedium, bspw. des Methangehalts von See- bzw. Meerwasser, verwendet.In a special development of the invention, the metal layer has at least one gold, platinum and/or palladium layer with a layer thickness of between 40 and 60 nm, particularly preferably at least about 50 nm.
Furthermore, it is advantageous, at least for certain applications, if the metal layer has a coating at least in an area facing the sample space. Such a coating offers the advantage that special structures, such as specifically selected substances and/or molecules, can be arranged in it, to which target substances and/or target molecules present in the sample medium then bind, so that special properties of the sample medium can be determined. The coating preferably has polydimethylsiloxane (PDMS) at least in some areas. According to a particular development of the invention, it is conceivable that suitable measurement molecules, in particular biomolecules or antigens, are introduced into such a coating, so that changes in the refractive index of the sample medium and thus changes in density that are based on a change in the proportion of target molecules in the sample medium can be detected , as soon as the target molecules, in particular biomolecules, antibodies and/or other ingredients, preferentially reversibly bind to the measurement molecules.
An SPR sensor unit equipped in this way is preferred in the field of water analysis, in particular when examining salt or sea water, and/or in laboratory diagnostics, for example for examining body fluids for the presence of antibodies, antigens or other autologous or allogeneic components. A very specific embodiment of the invention provides that the coating of the metal layer has cryptophane A and/or structures specific to the measurement medium, to which target molecules and/or a target substance preferably bind reversibly. In a particularly preferred manner, an SPR sensor unit designed according to the invention with a metal layer on which there is a coating containing Cryptophane A is used to determine the methane content of a sample medium, for example the methane content of seawater.

Neben einer SPR-Sensoreinheit betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums, bei dem Strahlung von einer Strahlungseinheit emittiert, mit wenigstens einem Optikelement unter einem Einfallswinkel auf eine Grenzfläche gelenkt und bei dem mit einem Detektor die von der Grenzfläche reflektierte Strahlung wenigstens teilweise empfangen und in Abhängigkeit einer Intensität der reflektierten Strahlung ein Detektorsignal erzeugt wird. An der Grenzfläche, die wenigstens teilweise als Messbereich genutzt wird, berühren sich das Optikelement und eine Metallschicht, wobei das Optikelement zumindest in einem die Strahlung auf den Messbereich lenkenden Bereich über ein erstes Medium mit einem ersten Brechungsindex verfügt und die Metallschicht auf einer dem Optikelement abgewandten Seite unmittelbar oder mittelbar an einen zur Aufnahme eines Probenmediums vorgesehenen Probenraum angrenzt und einen zweiten Brechungsindex aufweist. Das bei einer Messung erzeugte Detektorsignal wird über eine Schnittstelle drahtlos oder drahtgebunden an eine Auswerteeinheit übertragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zu verschiedenen Zeitpunkten oder während verschiedener Zeiträume Strahlung mit unterschiedlicher
Wellenlänge oder in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit emittiert und durch das Optikelement auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkt wird und dass die Auswerteeinheit unter Berücksichtigung des Detektorsignals einen Ausfallwinkel ermittelt, unter dem ein Teil der reflektierten Strahlung von der Grenzfläche reflektiert wird, dessen Intensität im Vergleich zum übrigen Teil der reflektierten Strahlung ein lokales Minimum annimmt. Weiterhin wird unter Zugrundelegung des ermittelten Ausfallwinkels sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex ein Brechungsindex sowie vorzugsweise eine Dichte oder Dichteänderung des im Probenraum befindlichen Messmediums bestimmt.
Aufgrund der Durchführung einer Messung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen ist es möglich, unterschiedliche Spektren bzw. Messkurven für die Intensität der reflektierten Strahlung aufzunehmen und auszuwerten, wobei die unterschiedlichen Wellenlängen derart gewählt werden, dass zumindest eines der aufgenommenen Spektren ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist.
Bevorzugt wird zumindest zeitweise eine Strahlung mit einer Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich von der Strahlungseinheit emittiert und von dem Optikelement auf den Messbereich gelenkt, sodass die vom Detektor empfangene reflektierte Strahlung kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der reflektierten Strahlung aufweist. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform wird ein Spektrum der reflektierten Strahlung erzeugt, das kein lokales Minimum aufweist. Ein derartiges Spektrum kann bevorzugt als Referenzspektrum verwendet werden, insbesondere um eine Normierung des wenigstens einen weiteren Spektrums, das über ein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Strahlungsintensität verfügt, zu normieren und/oder wenigstens ein Minimum, das durch den optischen Aufbau, der zur Messung verwendet wird, nicht aber durch ein Oberflächenplasmon verursacht wird, bei der Auswertung der aufgenommenen Spektren zu berücksichtigen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Auswerteeinheit somit eingerichtet, um auf der Grundlage des vom Detektor bei Empfang von reflektierter Strahlung, die kein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes lokales Minimum der Intensität der Strahlung aufweist, erzeugtes Detektorsignal eine Referenzkurve zu erzeugen und diese vorzugsweise bei der Ermittlung eines Brechungsindex, einer Dichte und/oder einer Dichteänderung des untersuchten Probenmediums zu berücksichtigen.
Gemäß einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es denkbar, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein lokales Minimum oder lokale Minima der Referenzkurve bei der Ermittlung eines durch ein Oberflächenplasmon verursachten lokalen Minimums der Intensität der reflektierten Strahlung zu berücksichtigen.In addition to an SPR sensor unit, the invention also relates to a method for determining the refractive index of a sample medium, in which radiation is emitted by a radiation unit, is directed onto an interface with at least one optical element at an angle of incidence, and in which the radiation reflected from the interface is at least partially received and depending on an intensity of the reflected radiation, a detector signal is generated. The optical element and a metal layer touch at the interface, which is at least partially used as a measuring area, with the optical element having a first medium with a first refractive index at least in an area directing the radiation onto the measuring area, and the metal layer on one side facing away from the optical element Side directly or indirectly adjacent to a sample space provided for receiving a sample medium and has a second refractive index. The detector signal generated during a measurement is transmitted wirelessly or wired to an evaluation unit via an interface.
The inventive method is characterized in that at different times or during different periods of time radiation with different
Wavelength or emitted in a different wavelength range from the radiation unit and is directed by the optical element to the measurement area of the interface and that the evaluation unit taking into account the detector signal determines an angle of reflection at which part of the reflected radiation is reflected by the interface, the intensity of which assumes a local minimum compared to the remaining part of the reflected radiation. Furthermore, a refractive index and preferably a density or density change of the measurement medium located in the sample chamber are determined on the basis of the determined angle of reflection and the first and the second refractive index.
Because a measurement is carried out with at least two different wavelengths, it is possible to record and evaluate different spectra or measurement curves for the intensity of the reflected radiation, with the different wavelengths being selected in such a way that at least one of the recorded spectra has a local minimum of the radiation intensity.
Radiation with one wavelength or in a wavelength range is preferably emitted at least temporarily by the radiation unit and directed by the optical element onto the measurement area, so that the reflected radiation received by the detector does not have a local minimum of the intensity of the reflected radiation caused by a surface plasmon. According to this special embodiment, a spectrum of the reflected radiation is generated that has no local minimum. Such a spectrum can preferably be used as a reference spectrum, in particular to normalize the at least one other spectrum that has a local minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon and/or at least a minimum that is due to the optical structure used for Measurement is used, but is not caused by a surface plasmon, to be considered when evaluating the recorded spectra. According to this embodiment, the evaluation unit is set up to generate a reference curve on the basis of the detector signal generated by the detector upon receipt of reflected radiation that does not have a local minimum of the intensity of the radiation caused by a surface plasmon, and this preferably when determining a refractive index , a density and/or a change in density of the sample medium examined.
According to a specific embodiment of the method according to the invention, it is conceivable that the evaluation unit is set up to take into account a local minimum or local minima of the reference curve when determining a local minimum of the intensity of the reflected radiation caused by a surface plasmon.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden von der Strahlungseinheit zeitlich beabstandet wenigstens zwei Strahlungen, die zumindest zum Teil Wellenlängen aufweisen, die nah beieinander liegen, emittiert, die derart gewählt sind, dass jeweils lokale Minima der Strahlungsintensität der beiden Strahlungen, die durch ein Oberflächenplasmon verursacht werden, vom Detektor, insbesondere der lichtsensitiven Detektoroberfläche, erfassbar sind. Besonders bevorzugt werden zwei Strahlungen verwendet, deren Wellenlängen nicht mehr als 10 bis 20 nm voneinander entfernt sind. Bevorzugt beträgt die maximale Differenz der Wellenlängen der beiden Strahlungen 15 nm und ganz besonders bevorzugt 10 nm. Aufgrund dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei lokale Minima der Strahlungsintensität detektiert, die nah beieinander liegen, sodass durch Mittelung der erhaltenen Messwerte ein Brechungsindex und/oder eine Dichte des Probenmediums mit vergleichsweise hoher Genauigkeit bestimmbar ist.In a particular embodiment of the invention, the radiation unit emits at least two radiations at a time interval, some of which have wavelengths that are close together, which are selected in such a way that local minima of the radiation intensity of the two radiations are caused by a surface plasmon are, can be detected by the detector, in particular the light-sensitive detector surface. Two types of radiation are particularly preferably used whose wavelengths are no more than 10 to 20 nm apart. The maximum difference in the wavelengths of the two forms of radiation is preferably 15 nm and very particularly preferably 10 nm. Due to this embodiment of the method according to the invention, two local minima of the radiation intensity are detected which are close together, so that a refractive index and/or a Density of the sample medium can be determined with comparatively high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Strahlungseinheit zu verschiedenen Zeitpunkten oder in verschiedenen Zeiträumen unterschiedliche Strahlung emittiert, insbesondere Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge, und durch das Optikelement auf den Messbereich der Grenzfläche gelenkt, wobei die Wellenlängen derart beabstandet zueinander ausgewählt sind, dass das eine der Strahlungen kein durch ein Oberflächenplasmon bewirktes lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist oder das ein durch ein Oberflächenplasmon bewirktes lokales Minimum der Strahlungsintensität zumindest nicht im Bereich der Detektoroberfläche des Detektors liegt. In dem letztgenannten Fall tritt das durch die Bildung eines Oberflächenplasmons bedingte Minimum der Strahlungsintensität somit zumindest nicht innerhalb des vom Detektor erfassten Winkelbereichs auf. Der Abstand der Wellenlängen liegt wenigstens in einem Bereich von 100 bis 200 nm. Die minimale Differenz der Wellenlängen der wenigstens zwei Strahlungen liegt dann zwischen 100 bis 200 nm, wobei insbesondere eine Differenz von 100 nm, bevorzugt eine Differenz von 150 nm und besonders bevorzugt eine Differenz der Wellenlängen von 200 nm gewählt wird.
Werden gemäß dieser speziellen Ausführungsform Strahlungen verwendet, die zwei hinreichend weit voneinander entfernte Wellenlängen aufweisen, sodass bei einer der Wellenlängen ein durch ein Oberflächenplasmon verursachtes Minimum der Strahlungsintensität nicht existiert oder zumindest nicht im Erfassungsbereich des Detektors liegt, wird das erfasste Spektrum auf bevorzugte Weise als Referenzspektrum verwendet werden.According to a further embodiment of the method according to the invention, the radiation unit emits different radiation at different points in time or in different time periods, in particular radiation of different wavelengths, and is directed by the optical element onto the measuring area of the interface, with the wavelengths being selected at such a distance from one another that one of the radiation does not have a local minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon or that a local minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon is at least not in the area of the detector surface of the detector. In the latter case, the minimum radiation intensity caused by the formation of a surface plasmon does not occur at least not within the angular range recorded by the detector. The distance between the wavelengths is at least in a range from 100 to 200 nm. The minimum difference in the wavelengths of the at least two radiations is then between 100 to 200 nm, with a difference of 100 nm, preferably a difference of 150 nm and particularly preferably one Difference of the wavelengths of 200 nm is selected.
If, according to this specific embodiment, radiation is used that has two wavelengths that are sufficiently far apart from one another, so that at one of the wavelengths a minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon does not exist or at least is not in the detection range of the detector, the detected spectrum is preferably used as a reference spectrum be used.

Im Übrigen ist es denkbar, wenigstens zwei Strahlungen mit zumindest teilweise hinreichend weit voneinander entfernten Wellenlängen zu verwenden, um den Messbereich des Verfahrens oder der zuvor beschriebenen Sensoreinheit zu erweitern.
Hier wird die erste Strahlung derart gewählt, dass diese zumindest teilweise eine erste Wellenlänge λ₁ aufweist, sodass der Brechungsindex des Probenmediums in einem Bereich von n₁ bis n₃ liegt und ein durch ein Oberflächenplasmon bedingtes Minimum der Strahlungsintensität vom Detektor erfassbar ist. Für die zweite Strahlung wird eine Wellenlänge λ₂ gewählt, sodass der Brechungsindex des Probenmediums in einem Bereich von n₂ bis n₄ liegt und ein durch ein Oberflächenplasmon bedingtes Minimum der Strahlungsintensität ebenfalls vom Detektor erfassbar ist. Bei Realisierung dieser Ausführungsform gilt für die wellenlängenspezifischen Brechungsindices des Probenmediums n₁ < n₂ < n₃ < n₄.Furthermore, it is conceivable to use at least two forms of radiation with wavelengths that are at least partially sufficiently far apart from one another in order to expand the measuring range of the method or of the sensor unit described above.
Here the first radiation is selected such that it at least partially has a first wavelength λ ₁ so that the refractive index of the sample medium is in a range from n ₁ to n ₃ and a minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon can be detected by the detector. A wavelength λ ₂ is selected for the second radiation, so that the refractive index of the sample medium is in a range from n ₂ to n ₄ and a minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon can also be detected by the detector. When this embodiment is implemented, n ₁ <n ₂ <n ₃ <n ₄ applies to the wavelength-specific refractive indices of the sample medium.

Im Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Brechungsindex und/oder einer Dichte eines Probenmediums mit einer SPR-Sensoreinheit, die gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist, und mit einer zumindest zeitweise bestehenden Datenübertragungsstrecke zur drahtlosen oder drahtgebunden Übertragung des Detektorsignals von dem Detektor an eine Schnittstelle einer Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung eines Ausfallwinkels der reflektierten Strahlung, eines lokalen Minimums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlen sowie des ersten und des zweiten Brechungsindex, also des Brechungsindex des ersten Mediums sowie der Metallschicht, einen Brechungsindex und/oder eine Dichte des Probenmediums zu ermitteln. Bevorzugt wird eine SPR-Sensoreinheit und ein Verfahren zur Bestimmung des Brechungsindex eines Probenmediums und/oder eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Brechungsindex und/oder einer Dichte eines Probenmediums, die jeweils gemäß wenigstens einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet, für Dichtebestimmung von Flüssigkeiten, zur Bestimmung einer Konzentration von Inhaltsstoffen in Süß, Brack- oder Salzwasser und/oder zur Bestimmung von Inhaltsstoffen, Antigenen und/oder Antikörpern in flüssigem biologischem Material auf dem Gebiet der Medizin, Tiermedizin und/oder Labordiagnostik eingesetzt. Besonders geeignet sind die Sensoreinheit, das Verfahren und die Messeinrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Methangehaltes in Salz- bzw. Seewasser geeignet. Das Vorsehen wenigstens eines speziellen Stoffes, einer Struktur und/oder eines Moleküls in der Beschichtung der Metallschicht ermöglicht somit auf besonders vorteilhafte Weise die Erfassung spezifischer Eigenschaften eines Probenmediums, insbesondere des Gehalts von spezifisch ausgewählten Zielstoffen und/oder Zielmolekülen.Furthermore, the invention also relates to a measuring device for detecting a refractive index and/or a density of a sample medium with an SPR sensor unit, which is designed according to one of the embodiments described above, and with an at least temporarily existing data transmission path for wireless or wired transmission of the detector signal the detector to an interface of an evaluation unit which is set up to, taking into account an angle of emergence of the reflected radiation, a local minimum of the radiation intensity of the reflected beams and the first and the second refractive index, i.e. the refractive index of the first medium and the metal layer, a refractive index and /or to determine a density of the sample medium. Preference is given to an SPR sensor unit and a method for determining the refractive index of a sample medium and/or a measuring device for detecting a refractive index and/or a density of a sample medium, each designed according to at least one of the embodiments described above, for determining the density of liquids a concentration of ingredients in fresh, brackish or salt water and/or for determining ingredients, antigens and/or antibodies in liquid biological material in the field of medicine, veterinary medicine and/or laboratory diagnostics. The sensor unit, the method and the measuring device according to the invention are particularly suitable for determining the methane content in salt or sea water. The provision of at least one special substance, a structure and/or a molecule in the coating of the metal layer thus enables the detection of specific properties of a sample medium, in particular the content of specifically selected target substances and/or target molecules, in a particularly advantageous manner.

Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungseispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Schematische Darstellung des von einer SPR-Sensoreinheit genutzten Messprinzips,
2: Zwei Messkurven aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex zweier Probenmedien mit unterschiedlichem Salzgehalt sowie eine Referenzkurve aufgenommen bei einer Messung mit Luft als Probenmedium,
3: Zwei Messkurven aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex zweier Probenmedien mit unterschiedlichem Salzgehalt jeweils normiert auf eine Referenzkurve aufgenommen bei einer Messung mit Luft als Probenmedium,
4: Messkurve aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex eines Probenmediums, Messkurve ohne den durch das Oberflächenplasmon beeinflussten Bereich und durch Näherung erzeugtes Referenzspektrum,
5: Messkurve aufgenommen bei der Messung des Brechungsindex eines Probenmediums normiert auf eine durch Näherung erzeugte Referenzkurve sowie der durch das Oberflächenplasmon beeinflusste Bereich durch Näherung geglättet,
6: Perspektivische Darstellung einer SPR-Sensoreinheit zur Detektion des Methangehalts in Seewasser sowie
7: Perspektische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Sensoreinheit.

The invention is explained in more detail below, without restricting the general inventive concept, on the basis of specific exemplary embodiments with reference to the figures. show:

1 : Schematic representation of the measurement principle used by an SPR sensor unit,
2 : Two measurement curves recorded when measuring the refractive index of two sample media with different salinity and a reference curve recorded when measuring with air as the sample medium,
3 : Two measurement curves recorded when measuring the refractive index of two sample media with different salt contents, each normalized to a reference curve recorded when measuring with air as the sample medium,
4 : trace obtained when measuring the refractive index of a sample medium, trace excluding the area affected by surface plasmon and reference spectrum generated by approximation,
5 : Measurement curve recorded when measuring the refractive index of a sample medium normalized to a reference curve generated by approximation and the area affected by the surface plasmon smoothed by approximation,
6 : Perspective view of an SPR sensor unit for detecting the methane content in seawater and
7 : Perspective representation of an SPR sensor unit designed according to the invention.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung das prinzipielle Funktionsprinzip, basierend auf dem mit einer SPR-Sensoreinheit 1 die Veränderung des Brechungsindex eines Probenmediums 9 detektierbar ist. Das Probenmedium befindet sich in einem Probenraum 8, der unmittelbar an eine Metallschicht 7 angrenzt, die gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiels eine etwa 50 nm dicke Goldschicht und eine 1 nm dicke Platinschicht aufweist. In Abhängigkeit der zu realisierenden Analyse kann auf der Metallschicht 7 eine Beschichtung 18 vorgesehen sein, in der wenigstens ein speziell ausgewählter Stoff, eine Struktur und/oder ein Molekül angeordnet ist, an den, die oder das ein im Probenmedium zu erwartender Zielstoff, eine Zielstruktur und/oder ein Zielmolekül bindet, sodass sich der Brechungsindex in diesem Bereich ändert. Die SPR-Sensoreinheit 1 verfügt über eine Strahlungseinheit 2 mit einer monochromatische Lichtquelle 3, die etwa durch eine LED realisiert werden kann, und ein Optikelement 6, durch das die von der Strahlungseinheit 2 emittierte Strahlung unter einem Einfallswinkel auf eine Grenzfläche 10 zwischen dem Optikelement 6 und der Metallschicht 7 eingestrahlt wird. Als weitere Bauteile zur Strahlformung und Strahllenkung verfügt die Strahlungseinheit 1 über eine Linse 4 und einen Polfilter 5. 1 shows a schematic representation of the basic functional principle, based on which the change in the refractive index of a sample medium 9 can be detected with an SPR sensor unit 1 . The sample medium is located in a sample space 8 which is directly adjacent to a metal layer 7 which, according to the exemplary embodiment shown, has an approximately 50 nm thick gold layer and a 1 nm thick platinum layer. Depending on the analysis to be carried out, a coating 18 can be provided on the metal layer 7, in which at least one specially selected substance, a structure and/or a molecule is arranged on which a target substance to be expected in the sample medium, a target structure and/or binds to a target molecule so that the refractive index changes in this region. The SPR sensor unit 1 has a radiation unit 2 with a monochromatic light source 3, which can be realized, for example, by an LED, and an optical element 6, through which the radiation emitted by the radiation unit 2 falls at an angle of incidence onto an interface 10 between the optical element 6 and the metal layer 7 is irradiated. As additional components The radiation unit 1 has a lens 4 and a polarizing filter 5 for beam shaping and beam steering.

Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Optikelement 6 als Prisma ausgeführt und weist als erstes Medium Glas mit einem Brechungsindex n₁ auf. Die Metallschicht 7 weist den Brechungsindex n_g auf.
Unter bestimmten Bedingungen an die Verhältnisse der Brechungsindices des ersten Mediums n₁, der Metallschicht n_g sowie des Brechungsindex des Probenmediums n₂
bildet sich ein Oberflächenplasmon (Surface Plasmon) aus. Durch dieses Oberflächenplasmon wird Lichtenergie abgeleitet, sodass die an der Grenzfläche 10 zwischen Optikelement 6 in Form eines Glasprismas und der Metallschicht 7 reflektierte Strahlung in einem spezifischen Ausfallswinkel Θ_SPR ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist, das der Detektor 11 als dunkle Stelle erfasst.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform wird als Detektor 11 eine Zeilenkamera verwendet, die ein Detektorsignal erzeugt, das eine Information über den Ausfallwinkel des Teils der reflektierten Strahlung, an dem auf den Detektor eine dunkle Stelle erscheint, enthält.According to the 1 In the exemplary embodiment shown, the optical element 6 is designed as a prism and has glass with a refractive index n ₁ as the first medium. The metal layer 7 has the refractive index n _g .
Under certain conditions to the ratios of the refractive indices of the first medium n ₁ , the metal layer n _g and the refractive index of the sample medium n ₂
A surface plasmon forms. Light energy is dissipated by this surface plasmon, so that the radiation reflected at the interface 10 between the optical element 6 in the form of a glass prism and the metal layer 7 has a local minimum of the radiation intensity at a specific angle of reflection Θ _SPR , which the detector 11 detects as a dark spot.
According to the embodiment shown here, a line camera is used as detector 11, which generates a detector signal containing information about the angle of emergence of that part of the reflected radiation at which a dark spot appears on the detector.

Unter Berücksichtigung der von dem Detektor 11 detektierten dunklen Lücke in der reflektierten Strahlung bzw. dem lokalen Minimum der Strahlungsintensität lässt sich bei konstanten Brechungsindices n₁ und n_g, des ersten Mediums des Optikelements 6 sowie der Metallschicht 7 der Brechungsindex n₂ des Probenmediums 9 im Probenraum 8 bestimmen. Änderungen des Brechungsindex n₂ des Probenmediums wirken sich wiederum auf die Lage der dunklen Lücke der reflektierten Strahlung, also die Größe des Ausfallwinkels Θ_SPR, aus und werden mithilfe des Detektors 11 erfasst. Das vom Detektor 11 in Abhängigkeit der auf die Detektoroberfläche auftreffenden reflektierten Strahlung erzeugte Detektorsignal wird drahtlos oder drahtgebunden an eine Auswerteeinheit 17 übertragen, die auf der Grundlage des Detektorsignals, insbesondere der Lage des lokalen Minimums der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung, eine Änderung des Brechungsindex und der Dichte des Probenmediums 9 ermittelt. Aus der Änderung der Dichte kann wiederum auf den Anteil der im Probenmedium enthaltenen Inhaltsstoffe und hier speziell ausgewählter Zielsubstanzen und/oder Zielmoleküle geschlossen werden. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, auf der Metallschicht 7 oder in einer Beschichtung 18 der Metallschicht bestimmte Messmoleküle vorzusehen, an die Zielmoleküle binden.Taking into account the dark gap detected by the detector 11 in the reflected radiation or the local minimum of the radiation _intensity , the refractive index _{n 2} _of the sample medium 9 in the Determine sample space 8. Changes in the refractive index n ₂ of the sample medium in turn affect the position of the dark gap of the reflected radiation, ie the size of the angle of reflection Θ _SPR , and are detected using the detector 11 . The detector signal generated by the detector 11 as a function of the reflected radiation impinging on the detector surface is transmitted wirelessly or by wire to an evaluation unit 17 which, on the basis of the detector signal, in particular the position of the local minimum of the radiation intensity of the reflected radiation, a change in the refractive index and the Density of the sample medium 9 determined. From the change in density, the proportion of the components contained in the sample medium and specifically selected target substances and/or target molecules can in turn be inferred. In this context, it is conceivable to provide specific measurement molecules on the metal layer 7 or in a coating 18 of the metal layer, to which target molecules bind.

2 zeigt Messkurven von Beispielsmessungen, die mit einer erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Sensoreinheit 1 durchgeführt worden sind. Als Probenmedien 9 wurden wässrige NaCI-Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt verwendet, wobei eine durch eine Änderung des Salzgehalts bedingte Änderung der Dichte des Wassers anhand der Änderung des Brechungsindex festgestellt wurde. Aufgrund des Einsatzes der erfindungsgemäß ausgeführten SPR-Einheit bildet sich an der Grenzfläche ein Oberflächenplasmon aus, sodass unter einem speziellen Ausfallwinkel Θ_SPR mit der als Detektor 11 verwendeten Zeilenkammer an einem bestimmten Ort der Detektoroberfläche ein lokales Minimum der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung erfasst wird.
Die Messkurve A zeigt die vom Detektor registrierte Strahlungsintensität in Abhängigkeit des Auftreffpunktes auf der Detektoroberfläche und damit des Ausfallswinkels für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter. Die Messkurve B zeigt die registrierte Strahlungsintensität für Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter. Beide für das Probenmedium Wasser aufgezeichneten Messkurven zeigen deutlich lokale Minima der Strahlungsintensität, die durch das an der Grenzfläche 10 der SPR-Sensoreinheit 1 entstandenes Oberflächenplasmon verursacht werden. Im Weiteren zeigt die Messkurve C das Ergebnis einer Messung der Strahlungsintensität bei der Verwendung von Luft als Probenmedium, wobei sich an der Grenzfläche kein Oberflächenplasmon ausbildet.
Die Messkurve zeigen, dass sich das lokale Minimum für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter (Kurve A) ungefähr bei Pixel 1000 und bei Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g Liter (Kurve B) bei Pixel 1200 der Zeilenkamera befindet. Aus diesen lokalen Minima der Strahlungsintensitäten der reflektierten Strahlungen und der Kenntnis über den Ort der Pixel der Zeilenkamera und damit des speziellen Ausfallwinkels Θ_SPR, lassen sich sowohl eine Änderung des Brechungsindex und damit eine durch den geänderten Salzgehalt verursachte Änderung der Dichte des Wassers detektieren.
Die Messkurve C, die mit Luft als Probenmedium 9 erstellt wurde, weist kein derartig ausgeprägtes lokales Minimum auf. Dies ist damit zu begründen, dass sich an der Grenzfläche kein Oberflächenplasmon bildet, sobald sich Luft im Probenraum 8 befindet. Die Messkurve C wird daher als Referenzkurve zur Normierung der Messkurven A und B verwendet.
3 zeigt die Messkurven D und E, wobei die Messkurve D durch Normierung der Messkurve A für Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter mittels der Referenzkurve C und die Messkurve E durch Normierung der Messkurve B für Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter mittels der Referenzkurve C erzeugt wurde.
Eine derartige Normierung bietet den Vorteil, dass die lokalen Minima der Messkurven, hier A und B, besonders deutlich erkennbar werden. Die Normierung der Messungen mit Luft ist notwendig, da die Strahlformung durch die Strahlungseinheit 1 und die benötigten optischen Komponenten, beispielsweise bei Verwendung einer LED, nicht perfekt ist und daher lokale Minima aufweist, die bei der Auswertung mit Hilfe der Normierung berücksichtigt werden. Wie 3 zu entnehmen ist, ist das Minimum der Strahlungsintensität jeweils nach Normierung deutlicher ausgeprägt, sodass eine genauere Bestimmung der lokalen Minima erfolgt. 2 shows measurement curves of example measurements that have been carried out with an SPR sensor unit 1 designed according to the invention. Aqueous NaCl solutions with different salt contents were used as sample media 9, a change in the density of the water caused by a change in the salt content being determined on the basis of the change in the refractive index. Due to the use of the SPR unit designed according to the invention, a surface plasmon forms at the interface, so that a local minimum of the radiation intensity of the reflected radiation is detected at a specific position of the detector surface at a specific angle of reflection Θ _SPR with the line chamber used as detector 11.
The measurement curve A shows the radiation intensity registered by the detector as a function of the point of impact on the detector surface and thus the angle of reflection for water with a salt content of 6 g/litre. Measurement curve B shows the recorded radiation intensity for water with a salt content of 35 g/litre. Both measurement curves recorded for the sample medium water clearly show local minima of the radiation intensity, which are caused by the surface plasmon formed at the interface 10 of the SPR sensor unit 1 . Furthermore, the measurement curve C shows the result of a measurement of the radiation intensity when using air as the sample medium, with no surface plasmon forming at the interface.
The measurement curves show that the local minimum for water with a salinity of 6 g/litre (curve A) is around pixel 1000 and for water with a salinity of 35 g liter (curve B) at pixel 1200 of the line scan camera. From these local minima of the radiation intensities of the reflected radiation and the knowledge of the location of the pixels of the line scan camera and thus the special angle of reflection Θ _SPR , both a change in the refractive index and thus a change in the density of the water caused by the changed salinity can be detected.
The measurement curve C, which was created with air as the sample medium 9, does not have such a pronounced local minimum. The reason for this is that no surface plasmon forms at the interface as soon as there is air in the sample space 8 . Measurement curve C is therefore used as a reference curve for normalizing measurement curves A and B.
3 shows the measurement curves D and E, whereby measurement curve D is normalized by normalizing measurement curve A for water with a salt content of 6 g/litre using reference curve C and measurement curve E is normalized by normalizing measurement curve B for water with a salt content of 35 g/litre of the reference curve C was generated.
Such a normalization offers the advantage that the local minima of the measurement curves, here A and B, are particularly clearly recognizable. The normalization of the measurements with air is necessary because the beam shaping by the radiation unit 1 and the required optical components, for example when using an LED, is not perfect and therefore has local minima, which are taken into account in the evaluation with the help of normalization. As 3 can be seen, the minimum of the radiation intensity is more clearly pronounced after normalization, so that the local minima can be determined more precisely.

Die beschriebenen SPR-Sensoreinheiten 1 werden vielfach zur genauen Bestimmung der Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe in Gas oder Flüssigkeiten verwendet. Ein
besonderes Einsatzgebiet ist die Verwendung einer SPR-Sensoreinheit als in-situ-Sensoreinheit für den Einsatz im Meer. Um spezifische Messungen mit Biomolekülen oder Messmolekülen für bestimmte chemische Inhaltsstoffe durchführen zu können, wird die Metallschicht beschichtet, wobei sich die Messmoleküle, an die zu detektierenden Zielmoleküle in der Beschichtung binden.
Damit direkt in umgebendem Seewasser Messungen durchführbar sind, werden die benötigten Messmoleküle, an die die Zielmoleküle binden, entweder in eine Polydimethylsiloxan-Membran (PDMS-Membran) eingebracht oder direkt an die Metallschicht gekoppelt und dann mit einer PDMS-Membran überzogen. Während der Messung diffundieren die Zielmoleküle durch die PDMS-Membran und binden, oftmals reversibel an die Messmoleküle, wodurch sich die Dichte der PDMS-Membran und damit der Brechungsindex n₂ des Probenmediums ändern.The SPR sensor units 1 described are often used to precisely determine the concentration of certain components in gases or liquids. A
A special area of application is the use of an SPR sensor unit as an in-situ sensor unit for use in the sea. In order to be able to carry out specific measurements with biomolecules or measuring molecules for certain chemical ingredients, the metal layer is coated, with the measuring molecules binding to the target molecules to be detected in the coating.
So that measurements can be carried out directly in the surrounding sea water, the required measurement molecules, to which the target molecules bind, are either introduced into a polydimethylsiloxane membrane (PDMS membrane) or coupled directly to the metal layer and then covered with a PDMS membrane. During the measurement, the target molecules diffuse through the PDMS membrane and bind to the measurement molecules, often reversibly, which changes the density of the PDMS membrane and thus the refractive index n ₂ of the sample medium.

Sobald die Metallschicht 7 einer SPR-Sensoreinheit 1 zumindest auf der dem Probenraum 8 zugewandten Seite mit einer PDMS-Membran als Beschichtung 18 überzogen ist, ist es nicht möglich, eine Normierung der Messsignale durch eine Messung mit Luft, bei der kein Oberflächenplasmon gebildet wird, durchzuführen. Dies ist nur bei SPR-Sensoreinheiten 1 möglich, die keine mit einer Beschichtung versehene Metallschicht 7 aufweisen. Um eine Referenzkurve für die Normierung zu erhalten, ist es möglich, eine Verstelleinheit vorzusehen, um die Polarisierung der emittierten Strahlung um 90° zu drehen. Aufgrund dieser Maßnahme tritt kein Oberflächenplasmon in der Grenzfläche auf, es ist allerdings eine mechanische Verstelleinheit vorzusehen.
Weiterhin ist es möglich eine Referenzkurve rechnerisch zu erzeugen. Gemäß dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel werden bei der in 4 dargestellten aufgenommenen Messkurve F die äußeren Bereiche herausgelöst, sodass die Kurve G gebildet wird. Dieses angenäherte Polynom kann daraufhin als Referenzkurve H für eine Normierung der Messkurve F verwendet werden.
In 5 zeigt Kurve I das Ergebnis der Normierung der Messkurve F mittels der Referenzkurve H. In diesem Zusammenhang besteht die Möglichkeit, die normierte Messkurve I durch Verwendung einer Gauß-Funktion der Form $1 - a * exp (- ((pixNo - b) / c) 2$

weiter zu nähern, wobei als erster Anpassungsfaktor der Ort des lokalen Minimums auf der Detektoroberfläche und als zweiter Anpassungsparameter die Breite des Dips um das lokale Minimum verwendet wird. In 5 zeigt Kurve J den durch die Bildung eines Oberflächenplasmons beeinflussten Bereich der normierten Messkurve I, der durch die oben genannte Gaußfunktion angenähert wurde. Der Vorteil der Verwendung einer Gauß-Funktion besteht darin, dass das Signalrauschen des Ergebnisses geringer ist als bei der reinen Anpassung durch ein Polynom.As soon as the metal layer 7 of an SPR sensor unit 1 is covered with a PDMS membrane as a coating 18, at least on the side facing the sample chamber 8, it is not possible to normalize the measurement signals by measuring with air, in which no surface plasmon is formed. to perform. This is only possible with SPR sensor units 1 that do not have a metal layer 7 provided with a coating. In order to obtain a reference curve for normalization, it is possible to provide an adjustment unit in order to rotate the polarization of the emitted radiation by 90°. Due to this measure, no surface plasmon occurs in the interface, but a mechanical adjustment unit must be provided.
Furthermore, it is possible to generate a reference curve by calculation. According to the exemplary embodiment explained here, in 4 The outer areas of the recorded measurement curve F shown are separated out so that the curve G is formed. This approximated polynomial can then be used as a reference curve H for normalizing the measurement curve F.
In 5 curve I shows the result of the normalization of the measurement curve F using the reference curve H. In this context, there is the possibility of normalizing the measurement curve I by using a Gaussian function of the form

1 - a * ex (- ((pix No - b) / c) 2

further, using the location of the local minimum on the detector surface as the first adjustment factor and the width of the dip around the local minimum as the second adjustment parameter. In 5 curve J shows the area of the normalized measurement curve I which is influenced by the formation of a surface plasmon and which was approximated by the Gaussian function mentioned above. The advantage of using a Gaussian function is that the signal noise of the result is lower than with just a polynomial fit.

6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäß ausgeführte SPR-Sensoreinheit, die bevorzugt zur Messung der Methan-Konzentration in Seewasser eingesetzt wird. Die SPR-Sensoreinheit verfügt über eine LED als Strahlungsquelle 3, ein Glasprisma als Optikelement 6 sowie eine Metallschicht bestehend aus einer 50 nm dicken Goldschicht und einer 1 nm dicken Platinschicht, sodass bei geeigneten Messbedingungen im Bereich der Grenzfläche 10 zwischen Glasprisma 6 und Metallschicht 7 ein Oberflächenplasmon gebildet wird und die reflektierte Strahlung in einem Bereich ein lokales Minimum der Strahlungsintensität aufweist. Für die Erfassung des Minimums der Strahlungsintensität verfügt die gezeigt SPR-Sensoreinheit 1 über eine Zeilenkamera als Detektor 11, die den Ort der minimalen Strahlung als dunklen Fleck detektiert, sodass mittels einer an die Zeilenkamera angebundenen Auswerteeinheit 17, zu der das Detektorsignal über eine geeignete Schnittstelle 16 übertragen wird, der Ausfallwinkel Θ_SPR des Teils der reflektierten Strahlung, die ein lokales Minimum der Strahlungsintensität annimmt, ermittelt wird. Wie bereits erläutert, kann nunmehr aus diesem spezifischen Ausfallwinkel Θ_SPR, dem Brechungsindices n₁, n_g des Glasprismas sowie der Metallschicht der Brechungsindex n₂ des Probenmediums 9 ermittelt werden. Gemäß der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Metallschicht 7 mit einer PDMS-Membran als Beschichtung 18 überzogen, die geeignete Sensormoleküle aufweist, an die Methan zumindest teilweise bindet. 6 shows a perspective view of an SPR sensor unit designed according to the invention, which is preferably used to measure the methane concentration in seawater. The SPR sensor unit has an LED as the radiation source 3, a glass prism as the optical element 6 and a metal layer consisting of a 50 nm thick gold layer and a 1 nm thick platinum layer, so that under suitable measurement conditions in the area of the interface 10 between the glass prism 6 and the metal layer 7 Surface plasmon is formed and the reflected radiation has a local minimum of the radiation intensity in a region. To detect the minimum of the radiation intensity, the SPR sensor unit 1 shown has a line camera as a detector 11, which detects the location of the minimum radiation as a dark spot, so that by means of an evaluation unit 17 connected to the line camera, to which the detector signal can be sent via a suitable interface 16 is transmitted, the angle of reflection Θ _SPR of the part of the reflected radiation that assumes a local minimum of the radiation intensity is determined. As already explained, the refractive index n ₂ of the sample medium 9 can now be determined from this specific reflection angle Θ _SPR , the refractive indices n ₁ , n _g of the glass prism and the metal layer. According to the 6 In the embodiment shown, the metal layer 7 is covered with a PDMS membrane as a coating 18, which has suitable sensor molecules to which methane at least partially binds.

In 7 ist eine spezielle konstruktive Ausgestaltung für eine SPR-Sensoreinheit 1 dargestellt. Auf einem plattenförmigen Tragelement sind ein Halter 13 für eine Strahlungseinheit zur Befestigung einer Strahlungseinheit 2 sowie ein Halter 14 für eine Detektoreinheit 11 mit einer Detektoreinheit 11 angeordnet. Um die von der Strahlungseinheit 2 emittierte Strahlung in ein als Glasprisma ausgeführtes Optikelement zu lenken und die aus dem Optikelement austretende, an der Grenzfläche zwischen Optikelement 6 und Metallschicht reflektierte Strahlung in Richtung der Detektoreinheit umzulenken sind zu beiden Seiten des Optikelements 6 jeweils Spiegel 15 vorgesehen. Das als Glasprisma ausgeführte Optikelement 6 wird ist einem Prismenhalter 12 befestigt. Die in 7 gezeigte Baueinheit lässt sich in ein Gehäuse einbauen und mittels geeigneter Dichtelemente fluiddicht, insbesondere seewasserdicht, abdichten, sodass die während einer Messung dem zu untersuchenden Probenmedium zugewandte Seite gegenüber der Seite, auf der sich die für die Strahlführung vorgesehenen optischen Elemente befinden, sicher abgedichtet ist. Die gezeigte Baueinheit wird insbesondere für in-situ-Messungen im Meer eingesetzt.In 7 a special structural design for an SPR sensor unit 1 is shown. A holder 13 for a radiation unit for fastening a radiation unit 2 and a holder 14 for a detector unit 11 with a detector unit 11 are arranged on a plate-shaped support element. In order to direct the radiation emitted by the radiation unit 2 into an optics element designed as a glass prism and that out of the optics Mirrors 15 are provided on both sides of the optical element 6 in order to deflect the radiation that emerges and is reflected at the interface between the optical element 6 and the metal layer in the direction of the detector unit. The optical element 6 designed as a glass prism is attached to a prism holder 12 . In the 7 The assembly shown can be installed in a housing and sealed in a fluid-tight manner, in particular seawater-tight, by means of suitable sealing elements, so that the side facing the sample medium to be examined during a measurement is securely sealed off from the side on which the optical elements intended for beam guidance are located. The unit shown is used in particular for in-situ measurements in the sea.

BezugszeichenlisteReference List

11: SPR-SensoreinheitSPR sensor unit
22: Strahlungseinheitradiation unit
33: Strahlungsquelleradiation source
44: Linselens
55: Polarisationsfilterpolarizing filter
66: Optikelementoptical element
77: Metallschichtmetal layer
88th: Probenraumrehearsal room
99: Probenmediumsample medium
1010: Grenzflächeinterface
1111: Detektordetector
1212: Prismenhalterprism holder
1313: Halter für StrahlungseinheitHolder for radiation unit
1414: Halter für DetektorDetector holder
1515: Spiegelmirror
1616: Schnittstelleinterface
1717: Auswerteeinheitevaluation unit
1818: Beschichtung coating
n1n1: Brechungsindex des ersten MediumsRefractive index of the first medium
ngng: Brechungsindex der Metallschichtrefractive index of the metal layer
n2n2: Brechungsindex des ProbenmediumsRefractive index of the sample medium
ΘSPRΘSPR: Ausfallwinkel, der für reflektierte Strahlung mit einer durch ein Oberflächenplasmon bedingten minimalen Strahlungsintensität spezifisch ist Angle of reflection specific to reflected radiation with a minimum radiation intensity due to a surface plasmon
AA: Messkurve, aufgenommen mit Wasser mit einem Salzgehalt von 6 g/Liter als ProbenmediumMeasurement curve recorded using water with a salt content of 6 g/litre as the sample medium
BB: Messkurve, aufgenommen mit Wasser mit einem Salzgehalt von 35 g/Liter als ProbenmediumMeasurement curve recorded using water with a salt content of 35 g/litre as the sample medium
CC: Referenzkurve, aufgenommen mit Luft als ProbenmediumReference curve recorded with air as sample medium
DD: Messkurve A normiert auf Referenzkurve CMeasurement curve A normalized to reference curve C
EE: Messkurve B normiert auf Referenzkurve CMeasurement curve B normalized to reference curve C
Ff: Messkurvemeasurement curve
GG: Messkurve F ohne den durch ein Oberflächenplasmon beeinflussten BereichMeasurement curve F without the area affected by a surface plasmon
HH: Referenzkurve, erhalten durch NäherungReference curve obtained by approximation
II: Messkurve F normiert auf Referenzkurve HMeasurement curve F normalized to reference curve H
JJ: durch Oberflächenplasmon beeinflusster Bereich der normierten Messkurve I genähert durch Gauß-FunktionArea of the normalized measurement curve I influenced by surface plasmon approximated by Gaussian function

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP0257955A2 [0004]

Claims

SPR (=Surface Plasmon Resonance) sensor unit (1), with a radiation unit (2) for emitting radiation, with at least one optical element (6) through which the radiation emitted by the radiation unit (2) is emitted at an angle of incidence onto a boundary surface ( 10) is guided, and with a detector unit (11) which is set up to receive the radiation reflected from the boundary surface (10) and to generate a detector signal as a function of an intensity of the reflected radiation and at an interface (16) for connection an evaluation unit (17), with the optical element (6) and a metal layer (7) touching at least in a measuring area at the interface (10) and the optical element (6) containing a first medium with a first refractive index (n ₁ ) and the metal layer (7) has a second refractive index (n _g ) and on the side facing away from the optical element (6) directly or indirectly to a receiving one it adjoins the sample space (8) provided for the sample medium (9), characterized in that the radiation unit (1) is set up to emit radiation of different wavelengths or in a different wavelength range at different points in time or during different periods of time, and in that the detector unit (11) is configured in such a way is arranged and designed that the detector signal contains information about an angle of reflection (Θ _SPR ) at which part of the reflected radiation is emitted from the interface (10), the radiation intensity of which has a local minimum compared to the remaining part of the reflected radiation.

SPR sensor unit after claim 1 , characterized in that the radiation unit (1) has at least two radiation sources (3a, 3b) which emit radiation of different wavelengths or in a different wavelength range.

SPR sensor unit after claim 1 or 2 , characterized in that the radiation unit (1) has at least one filter element and/or a monochromator.

SPR sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that at least one adjusting unit is provided in order to change a distance between the radiation unit (1) and the interface (10) and/or to change the angle of incidence.

SPR sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation unit (1) has at least one lens (4) and/or a polarizing filter (5) and/or the optical element (6) has a prism.

SPR sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the detector unit (11) has at least one line camera.

SPR sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer (7) has a coating (18) at least in a region facing the sample space (8).

SPR sensor unit after claim 9 , characterized in that the coating (18) has at least partially polydimethylsiloxane (PDMS), cryptophane A and/or antigens and/or molecules specific for the sample medium (9).

Method for determining the refractive index of a measurement medium, in which radiation is emitted by a radiation unit (2), is directed with at least one optical element (6) at an angle of incidence onto an interface (10), and in which a detector unit (11) is used to Interface (10) receives at least partially reflected radiation and generates a detector signal as a function of an intensity of the reflected radiation and transmits it via an interface (16) wirelessly or by wire to an evaluation unit (17), the optical element ( 6) and a metal layer (7) touching and the interface (10) and wherein the optical element (6) has a first medium with a first refractive index (n ₁ ) at least in an area directing the radiation to a measuring area of the interface (10) and the metal layer (7) on a side facing away from the optical element (6) directly or indirectly to a measuring medium for receiving iums provided sample space (8) and has a second refractive index (n _g ), characterized in that at different times or during different periods of time radiation of different wavelengths or in a different wavelength range is emitted by the radiation unit (2) and transmitted through the optical element (6) is directed onto the boundary surface (10) and that the evaluation unit (17), taking into account the detector signal, determines an angle of reflection (Θ _SPR ) for part of the reflected radiation, at which the intensity of the reflected radiation assumes a local minimum, and on the basis of the determined Angle of reflection and the first and the second refractive index (n ₁ , n _g ) determines a density of the sample medium (9) located in the sample chamber (8).

procedure after claim 9 , characterized in that at least temporarily radiation with one wavelength or in a wavelength range is emitted by the radiation unit (2) and directed by the optical element (6) onto the boundary surface (10), so that the reflected radiation received by the detector unit (11). has no local minimum of the radiation intensity caused by a surface plasmon.

procedure after claim 10 , characterized in that the evaluation unit (17) is set up to generate a reference curve on the basis of the detector signal generated by the detector unit (11) upon receipt of reflected radiation which does not have a local minimum of the intensity of the radiation caused by a surface plasmon generate.

procedure after claim 11 , characterized in that the evaluation unit (17) is set up to take into account a local minimum or local minima of the reference curve when determining a local minimum of the intensity of the reflected radiation caused by a surface plasmon.

Procedure according to one of claims 9 until 12 , characterized in that at different points in time or in different time periods different radiations are emitted by the radiation unit (2) and directed through the optical element (6) onto the interface (10), the respective wavelengths or wavelength ranges of which do not overlap.

Measuring device for detecting a refractive index and/or a density of a measuring medium with an SPR sensor unit (1) according to at least one of Claims 1 until 8th and with an evaluation unit (17), which is coupled wirelessly or by wire to the interface (16) of the detector unit (11) for the transmission of the detector signal and which is set up, taking into account an angle of emergence (Θ _SPR ) of the reflected radiation, a local minimum the intensity of the reflected radiation and the first and the second refractive index (n ₁ , n _g ) to determine a refractive index and/or a density of the measurement medium.

Use of an SPR sensor unit (1) according to at least one of Claims 1 until 8th , a method according to one of claims 9 until 13 and/or a measuring device Claim 14 for determining the density of liquids, for determining a concentration of ingredients in fresh, brackish or salt water and/or for determining ingredients, antigens and/or antibodies in liquid biological material in the field of medicine, veterinary medicine and/or laboratory diagnostics.